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Löscheinrichtung für die Thyristoren in selbst geführten Wechseirichtern
nach dem Verfahren der Summenlöschung Beschreibaung Die Erfindung betrifft eine
Löscheinrichtung für Thyristoren in selbstgeführten Wechselrichtern zur Speisung
von Drehstrommotoren gesteuerter oder geregelter Drehzahl nach dem Verfahren der
Summenlöschung. Zur Erreichung optimaler Verhältnisse hinsichtlich des Motordrehmoments
werden dabei nach bekanntem Vorgehen diese Regelungen bei konstantem magnetischem
Fluß des Drehstrommotors angestrebt.
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Es sind nun zum Zwecke der Erreichung konstanten magnetischen Flusses
durch die Wechselrichter zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren bekanntgeworden:
a) Die Ständerspannung am Drehstrommotor wird etwa proportional der Ständerfreguenz
verändert. Dieses Verfahren ist aus der Literaturstelle 1, S. 248 - 257, bekannt.
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b) Der Ständerstrom wird nach Literatur 1, S. 257/59, in Abhängigkeit
von der Läuferfrequenz eingeprägt. Dieses Verfahren ist zwar regelungstechnisch
besser als a), erfordert aber einen großen elektronischen Aufwand für die Regelung
und ist außerdem für Mehrmotorenbetrieb ungeeignet.
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Deshalb wurde das Verfahren a) als Ausgangspunkt für die Erfindung
herangezogen.
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Zur erfinderischen Ausgestaltung des Verfahrens a) wird zunächst von
der Erfindung an die bekannte Methode mit variabler Zwischenkreis-Gleichspannung
angeknüpft. Hierbei sollte der Wechselrichter in der Lage sein, bei herabgesetzter
Zwischenkreisspannung bei vollem Laststrom bis zu einer Spannung E nahe Null herab
zu arbeiten.
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Auch hinsichtlich der Löschschaltung wird von der Erfindung von dem
an sich bekannten Verfahren der Summenlöschung ausgegangen (Lit. 1, Seite 185/7,
199/200), bei welcher die Thyristoren der einzelnen Brückenhälftendes Wechselrichters
von einem einzigen Löschkondensator gelöscht werden. Bei diesem bekannten Verfahren
der Steuerung der Ausgangsspannung des Wechselrichters durch Änderung der Spannung
im Gleichstrom-Zwischenkreis ergeben sich nun bekanntlich dadurch Schwierigkeiten,
daß bei ihnen die für den Kommutierungsvorgang zur Verfügung stehende Spannung der
Zwischenkreisspannung proportional ist. Dadurch treten bei der bekannten Einrichtung
bei weiterer Herabsetzung der Gleichspannung am Wechselrichter Kommutierungsschwierigkeiten
auf. Damit auch bei relativ kleinen Teilspannungen im Zwischenkreis der volle Laststrom
gelöscht werden kann, müssen dann bei der bekannten Anordnung die Xommutierungseinrichtungen
überdimensioniert werden.
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Bei solchen bekannten Einrichtungen kann daher durchschnittlich nur
bis zu 30 % der größten Zwischenkreisspannung heruntergesteuert werden.
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Weiterhin ist wohl ein weiteres Verfahren für die Löschung der Thyristoren
für Wechselrichter bekannt geworden (Lit. 2, S. 151 bis 153, 158/159), wobei der
Löschkondensator durch stufenweise Auf ladung, bei dem die Kommutierungs-Drosseln
mitwirken, in Abhängigkeit von der variablen Zwischenkreisspannung solange aufgeladen
wird, bis er bei jeder Höhe der Zwischenkreisspannung seine Nennspannung erreicht
hat.
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Jedoch abgesehen von der aufwendigen Elektronik ist für das einwandfreie
Funktionieren dieser Schaltung eine sehr enge magnetische Koppelung der beiden Wicklungen
der Drosseln erforderlich, da jede Streuinduktivität, insbesondere auch die Leitungsinduktivität,
die Übergangs zeit des Stromes vom KondensatoTkreis auf den bei dieser Schaltung
erforderlichen Rückspeisekreis verlängert, und eine so verzögerte Kommutierung eine
lastabhängige Uberladung des Kommutierungskondensators bedeutet. Es muß also die
Spannung am Löschkreiskondensator überwacht werden.
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Bei kleinen Leistungen des Wechselrichters können zwar diese Leitungsinduktivitäten
gegenüber den Induktivitäten der Kommutierungsdrosseln einigermaßen vernachlässigt
werden. Bei größeren Leistungen wird jedoch die mapnetische Koppelung der Kreise
unzulässig schlecht, weshalb schon empfohlen wurde, bei solchen Fällen besser auf
das auch nicht ganz störungsunanfällige, aber ebehfalls aufwendige Verfahren mit
laststromabhängiger Aufladung des Kommutierungskondensators überzugehen. Es hat
außerdem die Schwäche, daß während der 1. Schwingung die Löschspannung am Kondensator
noch nicht dem größer gewordenen Laststrom angepaßt ist.
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Demgegenüber stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die erwähnten
Nachteile der bekannten Einrichtung zu vermeiden bzw. diese bekannte Einrichtung
unter Beibehaltung ihrer Vorteile zur Steuerung der Zwischenkreisspannung bis auf
Null herab brauchbar zu machen. Es soll eine Einrichtung für Summenlöschung gefunden
werden, die auch größere Ausgangs leistungen des Wechselrichters und für kleine
Spannung E im Zwischenkreis eine einwandfreie Kommutierung ergibt.
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Der Löschkondensator soll ohne besondere Überwachung eine bei jeder
Höhe der Zwischenkreisspannung für die Löschung der Thyristoren ausreichende Spannungshöhe
haben, ohne daß deshalb irgend ein Teil der Schaltung überdimensioniert werden muß.
Weiter soll vor allem der Aufwand an elektronischem Zubehör möglichst klein sein.
Schließlich soll zumindest eine Variante der Erfindung auch für niedere Versorgungsspannung
geeignet sein.
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Die Erfindung erreicht ihre Ziele dadurch, daß mindestens eine der
beiden Drosseln außer den üblichen je 2 Wicklungen (W1, W2) noch eine dritte, von
ihren beiden Wicklungen W1 und W2 galvanisch getrennte, magnetisch mit ihnen eng'gekoppelte
Wicklung W3 gleichen Wicklungssinns besitzt, einen Versorgungskreis mit konstanter
Spannung U für die Löschschaltung von dem Zwischenkreis variabler Spannung E galvanisch
abtrennt, wobei unabhängig von der variablen Zwischenkreisspannung E jeder Lastthyristor
(T1- T<) im Verlauf einer einzigen Umladung des Löschkondensators C1 gelöscht
wird, und wobei die Löschspannung u4 auch bei einer bis gegen Null herabgesteuerten
Zwischenkreisspannung E ihre volle Höhe hat.
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Weitere Ziele, Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sind
aus den Ansprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren 1) bis 5) beschrdeben. Hierbei
stellen dar: Fig. 1.): Eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit nur einer galvanischen
Abtrennung des Löschkreises von dem Kreis mit der variablen Zwischenkreisspannung
zur Verwendbarmachung dieser in sonstigen Einzelheiten an sich bekannten Löschschaltung
für Zwischenkrets6panr-g g bis herab zu Null, unter Benutzung eines an sich ebenfalls
bekannten Mittelpunkts M der konstanten Versorgungsspannung.
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Fig. 2.): Eine Variante der Erfindung zur Verwendbarmachung für Zwischenkreisspannungen
bis herab zu Null für eine sonst bekannte Einrichtung ohne Mittelpunkt für die Versorgungsspannung,
wobei der Löschkondensator zwischen 4 Thyristoren in Brückenschaltung liegt.
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Fig. 3.): Spannungen und Ströme der Einrichtung Fig. 1.) in Abhängigkeit
von der Zeit (als Diagramme); Big. 4.): Eine Einrichtung gemäß einer Variante der
Erfindung mit auf beiden Polen vom Zwischenkreis galvanisch abgetrennter Löschschaltung
für den Summen-Löschkondensator.
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Fig. 5.): Eine Einrichtung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung
mit-ungeteilter Versorgungsspannung mit Brückenschaltung der 4 Thyristoren für den
Löschkondensator.
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Die Wirkungsweise der Erfindung wird an Hand dieser Figuren nunmehr
im einzelnen erläutert: In Fig. 1.) bedeuten 1 + und 2 - die Klemmen des Versorgungskreises
von der konstanten Spannung U. U wird einerseits durch die Kondensatoren C2 und
C3 in an sich bekannter Weise halbiert mit Mittelpunkt M, andererseits haben bekanntlich
die Kondensatoren C2 und C3 eine wichtige Funktion als Energiespeicher für Schwingungsenergien.
Durch die übliche Pulseinrichtung P, ihre Freilaufdiode Dp und die zugehörige Glättungsdrossel
Lp wird in bekannter Weise zwischen den Punkten 3+, 4- die veränderliche Zwischenkreisspannung
E erzeugt, die vom augenblicklich gewünschten Betriebszustand des Drehstrommotors,
d. h. seiner Drehzahl'abhängt. Die Leistungsthyristoren T1 bis T6 werden wie bekannt
in der Reihenfolge ihrer Indizes gezündet. D1 bis D6 sind die zugehörigen Freilaufdioden.
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Durch die Kondensatoren C4 und C5 wird bekanntlich ein von M unabhängiger
Mittelpunkt M' der Zwischenkreisspannung E gebildet, der E in E/2 unterteilt. D7
und D8 sind die bekannten Abschneidedioden.
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Der Löschkondensator C1 liegt - wie bekannt - mit seiner einen Klemme
an M und an der Verbindungsleitung der Dioden D7, D8 einerseits und an der Verbindungsleitung
der Thyristoren T7, T8 andererseits.
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Nach der Erfindung hat nun die Kommutierungsdrossel L1, die üblicherweise
nur 2 Wicklungen W1 und W2 hat, nunmehr 3 Wicklungen, von denen die Wicklungen W1
und W2 mit einander verbunden auf der einen("Primär"J- Seite, die Arbeitswicklung
W3 galvanisch getrennt und magnetisch mit ihnen eng gekoppelt von W1 und W2 auf
der anderen Seite ("Sekundär"-Seite) der Drossel liegen.
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Der Wicklungssinn von W3 ist dabei gleichsinnig mit demjenigen von
W1 und W2. Gemäß der Erfindung kann dadurch die Löschschaltung an der konstanten
Versorgungsspannung U betrieben und somit die Zwischenkreisspannung E bis gegen
Null herabgesteuert werden.
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Auf dem anderen (negativen) Pol befindet sich bei dieser Variante
der Erfindung gemäß Fig. 1 keine galvanische Trennung in der Drossel L2, sondern
die Wicklungen W1 und W2 sind wie üblich weiterhin direkt an einander gereiht ohne
eine dritte galvanisch getrennte Wicklung W3.
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Die Löschschaltung besteht demnach in bekannter Weise aus den Thyristoren
T7 und Tg, den Dioden D7 und Dg, dém isöschkondensator Cl, den Drosseln L1 und L2,
sowie aus den Kondensatoren C6 bis C8, die den UberbrUckungskondensatoren nach Literatur
3, S 91, Bild 7 recht(dort C>entsprechen. Bei der gewohnten Bildung der Mittelpunkte
M der Spannung U mit den Kondensatoren C2 und C3 einerseits und der Bildung von
M' für E durch die Kondensatoren C4 und C5 andererseits werden bekanntlich zusätzlich
Ohm'sche Widerstände zur Aufteilung der Mittelwerte erforder die in Fig. 1) nicht
eingezeichnet sind.
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Der Ablauf eines Löschvorgangs kann sich nun trotz der durch die Erfindung
vorgenommenen galvanischen Abtrennung mittels W3 in der bekannten Weise abspielen,
wie an Hand der Diagramme Fig. 3 a bis 3 d nachfolgend beschrieben wird: Zum Zeitpunkt
t = o sind die Thyristoren T1, T2 und T3 leitend.
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Es sollen nun die Thyristoren T1 und T3 der oberen Brückenhälfte gelöscht
werden. Dazu wird bei t = o der Thyristor T7 gezündet.
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Der Kondensator C1 wird bis zum Zeitpunkt t2 vom Strom i4 mit dem
Verlauf nach Fig. 3 a umgeladen. Die Spannung ul am Sondensator C1 verläuft nach
Fig. 3 b.
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Für die Drosseln L1, L2 sei zur Vereinfachung der Darstellung und
zur Beschreibung der Wirkungsweise der eigentlichen Erfindung W1 = W2 = W3 vorausgesetzt.
An der Wicklung W1 und der erfindungsgemäß zusätzlichen Wicklung W3 der Drossel
L1 liegt dann die Spannung U U2 = 2 + u1 mit dem Verlauf nach Fig. 3 c. Ebenfalls
in Fig. 3 c eingetragen ist die Spannung u3 an den Kondensatoren C4 und C6.
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Die Differenz u4 = u3 - u2 liegt an dem Thyristor T1 als Lösch-Spannung.
(Fig. 3 d)a(in Fig. 1 punktiert eingezeichnete Stromkreise>.
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Die Spannung u5 am Thyristor T3 verläuft ähnlich u4.
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Für die Dauer der Zeit t1, während welcher durch negative Spannung
am Thyristor letzterer gelöscht bzw. gesperrt wird, (Schonzeit t1), die um einen
Sicherheitszuschlag größer sein muß als die Zeit, wo die Spannung am Thyristor wieder
positiv werden darf, (Freiwerdezeit), sind u4 und u5 negativ, so daß die Thyristoren
T1 und T3 gelöscht werden Die Lastströme il und i3 kommutieren zunächst auf die
Kondensatoren c6 und C7. (In Fig. 1 sind diese Stromkreise durch Strichlung markiert),
anschließend nach erfolgter Umladung der Kondensatoren auf die Dioden D4 und D6.
Etwa zum Zeitpunkt t2 ist der Kondensator cl umgeladen, der Strom i4 geht auf Null
zurück, und die in der Drossel L1 aufgespeicherte überschüssige magnetische Energie
wird gemäß
Fig. 3 a mittels des Stromes i5 an den Kondensator C2
zurückgegeben, dem sie vorher entnommen worden war.
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T3 und Zum Zeitpunkt t3 ist dies abgeschlossen undiT4 werden für
den nächsten Arbeitstakt des Wechselrichters gezündet. T2 war während des Löschvorganges
leitend geblieben. - Alle einzelnen Vorgänge können sich also bei der Einrichtung
gemäß der Erfindung mit Hilfe der galvanisch abgetrennten Wicklung W3 genau so abspielen,
wie bei der bekannten Einrichtung, nur daß eben bei kleinen Zwischenkreisspannungen
die Nachteile der bekannten Einrichtung beseitigt@sind.#- Fig. 2 zeigt eine andere
Variante der Erfindung.
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Auch hierbei ist in der Kommutierungsdrossel L1 die Wicklung W3 galvanisch
von den Wicklungen W1 und W2 abgetrennt, und in L2 die galvanische Verbindung wie
in Fig. 1 aufrechterhalten. Dagegen wird kein Mittelpunkt M der Versorgungsspannung
U hergestellt, sondern der Kondensator C1 wird in eine Brückenschaltung von 4 Thyristoren
T7 bis T10 aufgenommen. Hierdurch wird der Kondensator auf eine höhere Spannung
als in Fig. laufladbar. Diese Variante der Erfindung gemäß Fig. 2 ist also zur.
Verwendung an niedrigen Versorgungsspannungen u besonders geeignet. Der einzige
Kondensator C2 hat hierin die Bedeutung eines Energie-P-uffers.
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In Fig. 4 ist nun auch die Drossel L2 mit einer galvanisch von den
Wicklungen W1 und W2 abgetrennten Arbeitswicklung W3 ausgeführt.
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Dadurch sir dir zweivariable Zwischenkreisspannung E (Klemmen 3+,
4-) und die konstante spannung der Löschschaltung (Klemmen 1+, 2-) galvanisch völlig
entkoppelt. Es ist damit möglich, die Zwischenkreisspa; ullc aus einem netzgeführten
gesteuerten Stromrichter zu gewinnen und die Spannung U aus einem ungesteuerten,
an demselben et eaenden Stromrichter.-Der Löschkondensator liegt dabei - in an sich
bekannter Weise - wie in Fig. @ wischen 2 Thyristoren T7, T8 und 2 Dioden D7, D8.
Die Mittel@@@te « und M' sind wieder durch Kondensatoren C2, C3 bzw.
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U E C4, @@@@@@@@@ daß 7 und E2 zur Verfgung stehen
Fig.
5 zeigt eine der Fig. 4 in Bezug auf galvanische Abtrennung von L2 entsprechende
Schaltung, jedoch mit einer ungeteilten Spannung U und mit Brückenschaltung von
Thyristoren T7 bis T10 im LoSchkreis, analog Fig. 2. Die Variante Fig. 5 ist demnach
ebenfalls für niedere Versorgungsspannung besonders geeignet.
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Mittels aller 4 Varianten der Erfindung ergibt sich somit die Möglichkeit,
für die Thyristorlöschung eine von der Zwischenkreisspannung unabhängige Spannung
zur Verfügung zu haben, so daß eine sichere Löschung auch bei kleinster Zwischenkreisspannung
möglich wird, ohne daß irgend ein Teil des elektronischen Schaltungszubehörs deshalb
überdimensioniert werden muß. Die bisher vorhandenen Nachteile des bekannten Summenlöschverfahrens
sind da. durch beseitigt und die Erfindung macht die bekannte Schaltung für Steuerung
der Zwischenkreisspannung bis auf Null herab brauchbar.
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Der Aufwand an Elektronik ist mit Hilfe der Erfindung wesentlich kleiner
als bei den bekannten Schaltungen, wie durch Vergleich der jeweiligen Schaltbilder
sofort zu erkenneist.
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Für niedere Versorgungsspannungen kennen mit Vorteil die Einrichtungen
nach Fig. 2 und Fig. 5 angewandt werden. Die Speisung des Löschkreises durch eine
von der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises unabhängige Spannungsquelle
macht die Verwendung eines ungesteuerten Stromrichters für den Löschkreis möglich
zusammen mit einem gesteuerten Stromrichter für die variable Zwischenkreisspannung.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insofern von der Größe der Leitungsinduktivitäten
unabhängiger, als bei ihr zur Bildung der Löschspannung ai flt5schkondensator jene
bekannte Einrichtungen mit nur einer einzigen Kondensatorschwingung mit verwandt
werden können, um den Löschkondensator hoch genug zu laden. Deshalb kann auch die
erfindungsgemäße Einrichtung für größere Ausgangs leistungen von Wechselrichtern
verwandt werden. Die bekannte Einrichtung für Summenlöschung wird durch die Erfindung
erst brauchbar für sichere Steuerung der Zwischenkreisspannung bis herab gegen Null.
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Literaturverzeichnis (1) Heumann, K. und Stumpe, A.: Thyristoren,
Eigenschaften und Anwendungen.
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Berlin und Frankfurt a. M. 1969.
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(2) Meyer, M: Thyristoren in der technischen Anwendung. Band 1: Stromrichter
mit erzwungener Kommutierung.
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Berlin - München 1967.
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(3) AEG-Mitteilungen 1/2, Berlin 1964.
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Wechselrichter zur Drehzahlsteuerung von Käfigläufermotoren, Ludwig
Abraham, Klemens Heumann, Floris Koppelmann.